微波辅助煤炭脱硫的多物理场耦合计算研究

针对高硫煤脱硫研究中存在实验研究周期长,且实验过程中可能由于温度分布不均匀导致热点或热失控的安全隐患问题,多物理场耦合计算能够发挥重要作用。通过多物理场耦合计算的方法对微波辅助高硫煤脱硫过程进行研究,分析微波辐照功率、氧化剂配比、辐照温度、辐照时间对煤样脱硫率的影响,并分析搅拌速率对加热均匀性的影响,从而得到微波脱硫的最佳工艺条件,并对微波脱硫最佳工艺条件下的电场和温度场分布进行分析。结果表明,在最佳工艺条件下,煤样脱硫率较高,电场和温度场分布较均匀且无明显热点产生。

基于多物理场计算的微波加热均匀性改善研究

针对微波加热过程中存在温度分布不均匀的问题,提出利用多端口加热方式,通过多物理场耦合计算分析了端口布局、位置、数量以及功率配比对微波加热马铃薯块均匀性的影响。仿真计算结果表明,在四端口馈入时,端口分布于腔体四面,四个端口坐标分别为(-55,-162.5,70)、(162.5,-55,70)、(55,162.5,70)和(-162.5,55,70),且四端口馈入功率比为200∶200∶300∶300时,微波加热均匀性效果最佳。

多物理耦合计算中动态输运问题高效蒙特卡罗模拟方法

多物理耦合计算在众多领域都有重要应用.如果其包含粒子输运过程,用蒙特卡罗方法模拟粒子输运常占据大部分的计算时间,因此多物理耦合计算中动态输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法意义重大,其不可避免地依赖于大规模并行.基于动态输运问题的特点,本文提出了两种新方法:一是针对输运燃耗耦合计算的新型计数规约算法;二是动态输运计算样本数自适应算法.两种算法都能在保持计算结果基本不变的前提下使计算时间大幅减少,从而提高了效率.

电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台:SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据(或驱动电路真实数据)确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验(包括气体、液体、化合物和金属)提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。

钨电极辅助微波等离子体水蒸汽制氢的多物理场计算

通过电磁场和等离子体场耦合的方法对钨电极辅助微波等离子体制氢过程进行多物理场耦合计算,并对制氢过程中的电子密度、电子温度、氢气和水蒸汽的浓度进行计算。计算结果表明,在10^(-16)s到10^(-15) s过程中,电子密度和电子温度增加并由电极向四周扩散,氢气浓度缓慢增加。在10^(-15) s到10^(-14) s过程中,电子密度和电子温度分别达到最大值5.45×10^(17)个电子/m^(3)和1.83×10^(5) eV,氢气浓度增加了1.783×10^(-15) mol/m^(3)远大于其它时间段。在10^(-14) s到10^(-13) s过程中,电子密度和电子温度不增反降,氢气浓度增加也趋于平缓。由此表明,在10^(-15) s到10^(-14) s过程中,电子密度和电子温度达到最大时制氢速率也达到最大。

基于多物理场计算和模糊神经网络算法的变压器热点温度反演

热点温度是影响油浸式变压器绝缘寿命的重要因素之一。针对分布式光纤传感器测温系统测量热点温度时造成的不良影响与安装的不便性。提出一种基于多物理场计算和模糊神经网络算法的油浸式变压器热点温度反演模型。以66 kV三相三柱油浸自冷式变压器为例,采用有限体积法耦合迭代求解变压器流体–温度场,确定热点温度范围区域。筛选出环境温度、变压器顶层油温、变压器外壳及油箱顶部等12个特征点的温度建立模糊子集,再通过T–S模糊神经网络算法预测变压器绕组热点温度值。计算结果表明其与光纤传感器实际测量绕组热点温度误差<4%,比传统方法具有更高的精度。该方法实现了特征量测量非植入式,为电力变压器在线监测、热点温度计算提供一种新的计算思路。

微波辅助生物柴油生产的多物理场耦合计算研究

多物理场耦合计算对于优化微波加热化学反应体系的生产工艺,避免热点和热失控带来的安全问题起到极其重要的作用。因此,本文首先将微波辅助生物柴油生产涉及到的电磁场方程、热传导方程和化学反应动力学方程进行相互耦合计算,然后依次分析微波功率、醇油摩尔比、反应温度、催化剂用量对生物柴油产率的影响,最终得到制备生物柴油的最优条件并对该条件下的电磁场和温度场分布进行分析。结果表明,在最优条件下,生物柴油产率高、温度分布均匀且无明显热点产生。

基于多物理场计算的微波加热均匀性研究

针对微波加热液体过程中存在温度分布不均匀的问题,提出利用锚式搅拌桨对被加热液体进行搅拌的办法。通过多物理场耦合计算对微波加热静止的去离子水和加热过程中用锚式搅拌桨以不同转速搅拌去离子水的过程进行仿真,研究了搅拌对去离子水温度分布和变异系数的影响,并通过实验验证。结果表明,与去离子水处于静止状态的加热效果相比,锚式搅拌桨的引入可以减小去离子水内部温差且随着搅拌桨转速提升其对加热均匀性改善效果更加明显。

微波辅助固体催化剂下液相反应的多物理场耦合计算

本文针对传统固液反应耗时长、速率较慢、固液不易分离等问题,提出了一种微波加热固体催化剂下液相反应的方法,该方法可大幅缩短反应时间,提高生产率,实现反应物的高效率转换。建立了基于电磁场、化学反应系统、多孔介质流体流动场、传热场的多物理场仿真模型来模拟微波加热固体催化剂辅助进行液相合成反应的过程,并且基于该模型分析了不同流速与不同功率下反应液的温升情况。该微波加热模型对此类化学反应的优化生产具有重要的指导意义。

特高压并联电抗器铁芯振动及噪声特征研究

特高压并联电抗器因其铁芯是以铁芯饼与气隙垫块交替堆叠而成的结构特点,导致其运行过程中振动强度远超同电压等级的变压器,易出现振动超标等问题,现有计算方法对特高压并联电抗器铁芯振动特征还无法准确表征。鉴于此,该文针对1台特高压并联电抗器的铁芯振动机理及产生的噪声进行研究,结合磁-结构-声多场耦合分析,对铁芯所受麦克斯韦力及磁致伸缩力进行仿真计算,将结构场计算结果进行快速傅里叶变换后作为载荷激励进而计算由电抗器振动产生的噪声,并单独分析磁致伸缩力和麦克斯韦力对电抗器铁芯振动造成的影响。结果表明:电抗器运行过程中电抗器铁芯旁轭中部产生的振动最剧烈,电抗器周围产生的噪声最大。对比麦克斯韦力与磁致伸缩力对电抗器铁芯振动的影响发现,同时考虑两个力时铁芯振动小于未考虑磁致伸缩力的情况,证明影响电抗器铁芯振动的两个力存在相互衰减作用。

电磁计算十大问题

本专栏文章旨在从雷达、隐身、精确制导、舰船、汽车等几大系统研制角度,提炼出十大电磁计算问题,并略述每个问题的研究进展,以及未来目标,为思考电磁计算未来发展方向抛砖引玉.

微波烧结腔电磁场及温度场仿真研究

微波加热作为一种新兴的加热方法,有传统加热无法比拟的优势,被广泛应用于烧结材料等多个领域。但由于微波对烧结物料的作用机理,尤其对微波加热过程的动态仿真和优化设计的系统研究尚不明确,限制了微波烧结技术在更大范围内的推广应用。文章通过对微波谐振腔的仿真研究,计算出高温层和保温层物料在微波谐振腔内的电磁场和温度场分布,分析了物料及高温层、保温层在微波加热过程中温度以及电磁场的动态变化情况,不同烧结位置对微波加热效率及均匀性的影响。通过掌握微波烧结腔中的场分布情况,分析并找出合适的样品烧结位置,取得了更好的烧结效果。

一种非极性溶液微波间接加热方法的仿真计算

微波加热是一种与被加热物质直接作用的选择性加热方式,但这种效应在微波直接作用于极性分子时效果较好,微波在作用于极性分子时,极性分子在快速变化的高频电磁场中其极性取向随着外电场的变化而变化,造成分子的运动而相互摩擦产生热量,但微波加热非极性分子时,由于非极性分子在高频电磁场下极性变化很小,因此非极性分子很难被微波加热。针对上述问题本文提出了一种使用微波加热非极性溶液的方式,通过多物理场仿真计算,以非极性溶液的加热效果作为考核标准,计算了不同功率和不同流速下非极性溶液的升温特性,该文章对于工业上加热非极性溶液的方法设计具有指导意义。

考虑随机频率偏移的微波炉加热

针对微波炉加热使用的微波源具有工作不稳定的特点,本文在考虑微波炉具有随机频率偏移的情况下,模拟了微波炉对德拜介质的加热。微波炉的随机频率偏移能够非常明显的影响到整个谐振腔体的加热。因此在进行色散介质加热的仿真计算时,必须要考虑随机频率偏移的影响。本文还对在微波炉中进行的微波加热实验重复性低的原因进行了分析和猜想,并建议在研究微波化学反应机理时应该采用稳定性更高的固态源。

外部换热的微波恒温加热装置的仿真设计

微波对于化学反应有着热效应和一些特殊的效应影响,但在微波是否存在非热效应上,目前仍未有决定性的实验论证。在目前的一些试图验证微波非热效应的典型实验中,普遍存在着为了维持温度不变而改变微波功率,无法确保局部温度和整体温度的一致性等问题。为了解决当前此类实验中存在的这些问题,本文提出了一种依靠内部搅拌装置确保温度一致性,通过外部冷却液进行换热确保恒定功率的微波作用下的温度稳定的微波加热反应装置,通过复杂的多物理场计算,确认了设计的模型可以通过对搅拌速度的调节使其COV≤0.1,通过对冷却液的选择、初始温度的设定和流速的调节,实现不同微波功率下达到不同的稳定温度。

活性炭微波加热制备装置的仿真设计

活性炭在石化、电力、化工、临床医疗、环保等多个行业中广泛应用,其市场需求量也与日俱增.研究表明,相对于传统方法,微波法制备的活性炭具有孔隙结构更发达,比表面积更大,孔隙结构分布更均匀等优势.然而,这些研究都局限于实验室层面,现有的微波加热装置普遍存在热点、热失控和加热效率低下等问题.这严重限制了微波能在活性炭工业制备中的大规模应用.针对上述问题,本文以国内大量存在的竹子为研究对象,提出了一种可用于活性炭制备的微波均匀加热装置设计方案.通过多物理场仿真计算,以原材料的受热均匀性及装置的能量馈入率为考核标准,采用参数扫描分析的方法对装置参数进行了优化,得到了S11参数为-26.81dB,温度场的变异系数为0.2834的加热装置.此外,本文还结合参数扫描过程以及不同算法的运用,验证了该仿真计算的鲁棒性和准确性.该文章的工作对当前的活性炭工业制备装置的设计具有重要指导意义.

一种微波辅助的气固耦合模型

针对微波辅助加热情况下气固热耦合及气固反应应用,设计了一种利用微波加热多孔固体介质(碳化硅)来间接加热气体的气固耦合模型,并利用有限元仿真软件进行建模。通过对电磁场、流体传热场、自由和多孔介质这3个物理场的耦合仿真,验证了此气固耦合模型的准确性和可行性;分析了该模型在不同石英管半径、不同多孔介质孔隙率和不同气体流速情况下的S参数和加热情况。结果表明,当碳化硅的孔隙率为0.5,石英管的半径为20 mm时,微波转换效率最高,微波能量利用率达到90%以上。

中继式传能绝缘子温度特性研究

磁谐振耦合式无线电能传输线圈嵌附在绝缘子上可为输电线路监控系统供电。这是一种可应用于电力系统的新型供电方式。在具有无线电能传输能力的绝缘子(传能绝缘子)长期运行过程中产生的温度升高现象影响着电力系统的安全运行。针对传能绝缘子的温升问题,文章讨论了中继式磁耦合谐振式无线能量传输(MCR-WPT)系统电能传输特性;利用多物理场计算软件,研究了传能绝缘子的电能传输效率及传能绝缘子在不同电输入功率和不同气象环境中的温度变化特性。仿真结果表明,在环境1和环境2中,系统的电输入功率可达到30 W,传能绝缘子传输性能仍保持在65%左右。实验结果表明:实验结果和仿真结果基本一致;实验温度为25.2℃、输出功率为6.5W时,传能绝缘子连续运行25 min,表面最高温度升高约3℃。

微波加热化学反应中热失控条件的定量研究

定量研究了在反馈控制系统中微波加热化学反应热失控的条件.首先,基于反馈控制原理导出了热失控的工程条件,给出了其数学定义.然后,通过对波导中进行的化学反应进行微波加热的仿真计算,定量研究了4种不同特性的化学反应在不同的输入微波功率的温升速率,讨论了尚未引起人们注意的热失控与传感器响应时间的相关性.

考虑磁控管不稳定性的微波徳拜介质加热

实际工作中的磁控管输出微波的功率,相位和频率均是不稳定的.本文采用有限元(FEM)计算方法,结合蛙跳技术首次模拟了考虑磁控管不稳定性时微波对矩形谐振腔中徳拜介质的加热.结果表明,磁控管的不稳定性会严重影响到微波对矩形谐振腔体中徳拜介质的加热,尤其是被加热的介质物理尺寸较小的时候这种影响更为明显.磁控管的不稳定性还会影响到微波加热的可重复性,因此在设计微波化学反应器,计算以磁控管作为微波源的微波加热时必须要考虑磁控管的不稳定性.本文建议在研究微波化学反应机理时采用稳定性更好的固态源.